高坝洲预应力铜筋混凝土蜗壳设计与应用符 志远 刘晓刚 刘 惟 ( 长江勘侧规划设计研究院枢纽处)〔 摘要〕 高 坝 洲 水电 站 为 中 低 水 头 临 界 值 的 电 站， 采 用 混 凝 土 蜗 壳 ， 蜗 充 设 计 水 头 之 高 ， 居 国 内 混 凝土蜗壳之首为解决蜗先防诊问且，同时适应商坝洲电站的施工进度要求，选用预应力铆筋棍凝土蜗充型式， 并进行了一系列的研究，研究成果应用于商 坝洲水电 站建设中，保证了1 9 9 9年，月高坝洲水电 站第一台机组具备发电目 标的实现目 前电 站己 ，水运行， 运行情况良 好，并通过了脸收该成果的成功实践填补了我国水电站蜗亮设计的一项空白，为 较高水头大、中型水电站水轮机蜗充设计，提供了一条新的途径 【 关健词〕 高 坝 洲电 站 摘 毅 土 蜗 充M 臀防 诊施 礴度结 构 设 计一、概述高坝洲水利枢纽位于隔河岩枢纽下游 5 0 k m处，是 清江流域最下游的一个梯级，由 发 电、泄洪和通航建筑物组成工 程分二期 施工，电 站厂房为一期工程电站装有3 台8 4 MW的轴流转浆式水轮机组， 采用河床式厂房布置型式 整个工程是 一“ 短、 平、 快” 的 项目 。
枢纽工 程1 9 9 6 年1 0 月 第一期 低围 堰合拢， 要求1 9 9 8 年1 0 月 一期工程具备挡水条件，以 保证1 99 9年7 月 第一台 机组投产发电，总的说施工工期偏紧高坝洲水电站机组工作水头范围为 2 2 .3- 4 0 m ， 处于低水头向中水头过渡区间，从机 组性能参数、能量指标及土建工程量等方面论证， 选定轴流式水轮机机型蜗壳是水轮机的一部分，按 选定机型配套为混凝土蜗壳， 包角 2 1 0 0， 流道范围 最大 平面宽度 1 6 . 4 m ， 进口断面最大高度 I O m .按水库正常高水位 8 0 m计，底板作用水头为 5 1 . 0 7 m ，计入水锤压力后， 达到5 5 .0 7 m ，设计水头之高， 居国内 混凝土蜗壳之首由于蜗 壳受力的不均匀性，加上蜗壳断面尺寸较大， 温度荷载的影响也较大，因此蜗壳的防渗成 为本电站的设计难点 根据 《 水电 站厂房设计规范》规定.当 水头在4 0 m以 上时宜采用金 属蜗壳，若采用钢筋混凝土蜗壳，则应有技术经济论证; 钢筋混凝土蜗壳设计不能满足规 范规定的限裂要求， 蜗壳内 壁应增设防渗层( 金属或非金属).针对钢筋硷蜗壳的受力特点， 为了适应高坝洲电 站的施工进度， 对蜗壳防渗结构形式， 就普通钢筋硷蜗壳加防水涂料方案、 钢衬钥筋硷蜗壳方案及预应力钢筋硷蜗壳方案进行比 较，认为预应力钢筋混凝土蜗壳施工简单，不占 直线工期，既可解决结构受力与防渗要求1 2 1且有利于加快施工进度， 满足高坝洲工程施工进度的要求。
但在水轮机蜗壳上尚未见应用 实例， 需作专门 论证， 方可应用 为此， 进行了 一系列的 研究工作设计研究工作采用理论分析与仿真模型试验相结合的方法，即首先通过理论分析形成 推荐方案，在此基础上对推荐方案进行仿真模型试验， 最后经综合分析， 提出最终研究成 果理论分析包括预应力工作原理分析和结构分析计算，其中结构分析计算又分为常规分 析计算和三维分析计算两部分进行: 首先通过常规分析对预应力束布置作多个方案分析比 较，为选定最优的预应力布置提供依据;三维分析是在常规分析的基础上进行的，除验证 常规分析的合理性，还进一步优化预应力的 布置， 形成推荐方案，并为仿真模型试验提供 试验依据仿真模型试验是在理论分析的基础上， 对推荐方案进行仿真模型试验， 包括预 应力蜗壳仿真模型试验研究和预应力锚索压缩式结构仿真试验研究通过蜗壳仿真模型试 验验证预应力加固效果并对蜗壳运行条件和安全条件作出评价: 通过预应力锚索压缩式结 构仿真模型试验研制压缩式内 锚结构， 完善预应力锚索施工技术要求二、 预 应力 俐筋棍报土胡魔的 锚索 布里经比 较， 蜗壳预应力效果以 锚索水平环向 布里加竖向布置的组合方案为最佳。
1 、 水平环向 预应力锚索布t水平预应力锚索共八束， 沿蜗壳侧堵内 壁环向 布置， 为改善张拉端应力集中. 水平环 向 预应力张拉锚固点分别设在宽槽下游壁面及进口 段边墩内 壁上其中从下至上 H l # , H 3 # , H S # , H 7 # 锚索锚固段设在宽槽下游壁面， H 2 # , H 4 # , H 6 # , H 8 # 锚索锚固段设在宽 槽上游进口 段边墩内壁上 通过张拉锚索后产生的径向 挤压力和切向 拖曳力来抵消部分蜗 壳的内 水压力在施 工程 序上， 首先在蜗壳顶 板未 形成 之前， 在 蜗壳侧墙 冷却期内， 张拉锚固 端设在 宽 槽内 的 锚索 待顶板形成以 后， 再张拉宽 槽外的 锚索. 整个 施工过 程均在很凝土的 施工 期或间歇期完成，完全不占 直线工期 2 , 竖向 预 应力 锚索 布t由 于 蜗壳 左侧姗范围 断面高 度较大， 水压高， 为改 普 蜗充 左区域 边姗的 应力状况， 从 进口 断 面( 2 1 0 0 断面) ^ - 1 加. 断 面范围， 沿 蜗壳左半 区 域 侧堵内 侧7 0 c m ，布 里了9 束竖向 预 应力 锚索， 第一束 位于 蜗壳进口 断面 (( 2 1 0 . 断 面) 前3 .9 m , 竖向 预应力锚索的间 距 2 m , 待蜗壳顶板施工完毕后再张拉。
三、结构分析分别采用常规计算方法和三维分析进行计算， 计算采用S A P 9 4 通用计算程序 计算考 虑了结构自 重、内水压力和外水压力 ( 内 水压力考虑了 水击压力) 、机墩作用力、温度荷 载 及预 应力 荷载等荷载的作用. 其中 预应力 荷载分为 水 平向 预 应力荷载和垂直向 预应力 荷 载， 作用荷载考虑了锚具变形、 俐筋回缩、锅筋应力松弛、混凝土收缩和变形及钢筋的摩 擦等损失分析着重研究了正常运行、 考虑温度影响下正常运行、检修放空、校核洪水运行等计算情况1 2 2为反映预应力加固效果，计算分三种方案进行:①普通钢筋硷结构方案: ②水平预应 力一次性张拉方案; ③水平预应力分二次张拉方案1 、 平 面分析蜗壳结构传统算法是沿蜗壳中心线切取单位宽度的截面， 然后按平面r 形框架进行计 算.这种算法忽略了 蜗壳的环向 作用，计算结果偏于安全， 配筋量大并难与三维有限元计 算成果对比分析本次计算在合理的计算假定下对计算模型作了改进: ①将断面简化成 + n”形框架， 框架横梁 ( 蜗壳顶板) 两端分别与蜗壳侧墙和蜗壳上锥体刚接 将座环和 导叶自 身刚度模拟成杆，与蜗壳上下锥体相铰接。
②蜗壳环向 作用可以 根据竖向平面与各 层环向水平面交点 变形一致的条件， 等代成弹性杆约束来体现取包角2 1 0 0断 面 ( 蜗壳 进口 断面 — 下同 ) 、1 2 0 0 断 面进行 计算，结 果表明1 2 0 段因 受伸入副厂房的尾水墩约束， 受力条件明显较2 1 0 0 断面为 好， 仅将2 1 0 0 断面相应各控制性 工况的内力计算成果以 及承载力验算和限裂验算成果作为代表进行分析， 得出 如下结论:①控制性截面为 侧墙的下部固端截面， 相应的控制工况为考虑温度升高 情况( 夏季) ②控制截面配筋为保证结构正常使用的限裂条件③水平预应力二次张拉方案明显优于水平预应力一次性张拉方案④施加预应力加固后，蜗壳受力有较大改善， 侧墉内 侧弯矩较普通钥筋混凝土蜗壳减 少约 1 0 % -2 0 %, 配筋有四 层减少到二层: 蜗壳侧墙由 偏拉构件转化成偏压构件，改 变了 结构的受力特征， 有利于蜗充防渗 2 、 三雄分析通过为 全面反 映蜗壳 整体受力 情况，同时 脸证平面假设的 合理性， 采用三维方 法进行分析蜗壳结构三维计算摸型取自 一个标准机组段 左、右侧为机组横缝， 模型宽 2 4 m ;上游边取至厂房上游坡，下游边为主厂房与下游副厂房分界处， 距机中 均为 1 2 . 5 m ，故模 型长2 5 m 。
模型顶部边界为蜗壳顶板， 底边界取至底板以下6 m >模型高2 4 .5 m .对于蜗壳三位结构计算成果， 重点 选取蜗壳入口 断面、 2 1 0断面、1 2 0断面进行统计分析 计算结果表明，由 于蜗壳入口 断面至 2 1 0断 面区 域断面尺寸 较大， 其内 力 值较大 但 由 于 蜗 壳 入 口 断 面 受 上 档 墙 影 响 ， 在 不 施 加 预 应 力 时， 全断面呈偏心受压状态， 受力性 可知，就内力t值而言，三维成果普遍较小， 这是合理的: 就控制截面与控制工况、控制性设计条件、 预应力加固效果等分 布规律而言，成果则是一致的三维分析计算结果还表明常规计算重采用的计算假定是合 理的 3 ,结论通过二维和三维结构分析表明，针对高坝洲水电站钥筋混凝土蜗壳作用水头达 4 5 m - 5 5 m ， 考虑水击时最大工作水头接近 6 0 m ， 其作用水头居国内 棍凝土蜗壳之首， 在施 工期又十分紧张的情况下， 采用预应力俐筋混凝土蜗壳结构替代原定的钢筋棍凝土加钢板 防渗方案后，首先将蜗壳侧幼的钥筋由原来的三至四排减少到二排布里，简化了施工， 有 利于提高 拐壳混凝土浇捣质t，保证施工质量，其二，改善了 结构的受力性质，蜗壳侧墙 由 偏拉构件转变 为偏压构件， 从而满足了 结构的 防渗要求;其 三，由 于取消了 钢衬， 省去了 钢衬制作、 安装和接触灌浆等工序，简化了施工作业程序， 缩短了 施工周期，加快了 施 工进度。
四、 三维仿真模型 试脸由于在国内 首次将预应力技术用于水电站硅蜗壳设计，预应力计算分析成果需进行模 型试验研究为此，采用于与原型一致的钢材和混凝土制作以1 : 1 5的三位仿真材料结构模 型对在预应力、竖向 荷载、内 水压力、 温度荷载单独作用及各荷载组合作用下蜗壳的受 力情况进行仿真模拟， 对这些荷载作用下蜗壳结构的应力分布、蜗壳混凝土抗裂能力及蜗 壳安全性进行了 研究， 成果表明: 蜗壳经作预应力加固后， 在任何工况下均处于弹性工作， 最大拉应力为 1 4 . 0 0 -1 1 . 8 9 X I O S M P a ， 很好地满足了 硅限裂要求，整个预应力混凝土结构 的极限超载系数大于 2 .0 ，预应力效果比结构计算结果更好， 蜗壳整体结构是安全可靠的 试验验证了理论分析的合理性五、 运行效果根据预应力计算和试验结果确定采用后张法有粘结预应力张锚对蜗壳进行加固，每台 机组布里1 2 X 4) 1 5 .2 m m预应力锚索1 7 束， 其中 水平环向 锚索8 束，处里竖向 锚索9 束 目 前蜗充已 投入运行，为监侧预应力钢筋棍凝土蜗壳的实际工作性态及安全情况， 对预应 力 钢筋混凝土蜗壳在各种荷载作用下的应力应变变化情况进行了观测。
蜗壳混凝土应变的 实测得出 如下结论: ①由 温度变化引起的应变较大而由 发电内 水压力引起的 应变相对小些， 说明 在理论计算中考虑温度荷载的影响是必要的、合理的 ②预应力锚索产生的压应变抵 消了 混凝土 温度变化产生的拉应变，蜗壳在锚索张拉始终维持较大的压应变增量，蜗壳结 构的受力性质得到了改善⑧放空检查没有发现蜗壳混凝土有裂缝， 蜗壳满足混凝土限裂 和防渗要求试验表明设计是合理的，预应力效果是明 显的， 蜗壳 运用是安全可靠的六、 结束语为解决高 坝洲水电 站水轮机硷蜗壳结构防渗问 题，同时 满足工程施工进度要求， 经研 究决定采用预应力混凝土蜗充型式取代常规的 锅板衬砌钥筋硷蜗壳型式研究成果在高坝洲水电 站水轮机工程中 成功应用. 由 于减少钢衬与接触灌浆环节， 为使 宽 槽提前回 坡创造条件，直线工期实际 缩短了1 0 个月， 为高坝洲电 站 1 9 9 9 年第一台 机组 具备发电 条 件作出 贡献，仅就提前发电 一项， 直接经济效益近1 . 8 亿元人民币目 前电站己 充水发电并运行近二年多， 运行情况良 好监测悄况表明，实际。